Полное руководство по выбору разъемов для соединения плат

Каждый, кто когда-либо заглядывал внутрь старого настольного компьютера и отключал шлейфовый кабель, знаком с простым штыревым разъемом. Этот разъем является простым, но эффективным способом соединения двух плат в стопке. Фактически, он настолько популярен, что был использован для создания дополнительных плат-щитов для популярных платформ, таких как Arduino и Raspberry Pi, обе из которых получили успех за пределами мира мейкеров. В ходе недавней работы с клиентом меня удивило, как они складывали несколько плат Raspberry Pi для управления некоторым критически важным оборудованием, что показывает важность разъемов для соединения плат в таких модульных системах.

Несмотря на то что штыревые разъемы просты, это не значит, что они не полезны. Однако это не единственный вариант, и существует множество вариантов разъемов для соединения плат для систем высокой скорости/высокой частоты или для систем высокого напряжения/высокой мощности. Эти разъемы находят применение в системах, настолько разнообразных, как военное и медицинское оборудование. Если вы принимаете модульный подход к проектированию вашей следующей аппаратной платформы и вам нужно легко соединить несколько плат, рассмотрите возможность использования разъемов для соединения плат вместо кабелей. На рынке существует множество экономически выгодных вариантов, которые могут обеспечить целостность сигнала и прочный дизайн в различных системах.

Множество типов разъемов для соединения плат

Разъемы для соединения плат представлены в разнообразии форм и размеров, чтобы придать модульный вид многослойной системе печатных плат. Существует множество типов общеупотребительных разъемов для плат, и разные производители имеют свои собственные линейки продуктов, которые в общем попадают в одну из перечисленных ниже категорий:

• Штыревые разъемы: Большинство конструкторов знакомы с однорядным или двухрядным расположением штыревых разъемов с шагом 1 мм. Существуют вариации этого стиля, включая стопленные штыревые разъемы. Штыревые разъемы могут быть снабжены защитным кожухом и ключами (даже многоключевыми), чтобы гарантировать соответствие выводов при соединении плат.

• Мезонинные разъемы: Этот тип разъема для соединения плат соединяет две параллельные печатные платы в стопленной конфигурации. Существует множество стилей мезонинных разъемов. Обратите внимание, что штыревой разъем может использоваться как мезонинный разъем.

• Разъемы для краевых карт: Этот тип разъема наиболее известен своим использованием в планках оперативной памяти и COM/SoM. На самом деле, он может использоваться для любого соединения плат по краю платы, будь то с пользовательским или стандартизированным распиновкой.

• Разъемы для шасси: Этот тип разъема заслуживает своей собственной категории, как из-за необходимости обеспечения высоких скоростей передачи данных, так и из-за очень прочной конструкции.

• Стандартизированные разъемы: Некоторые разъемы могут быть разработаны для соответствия очень конкретным отраслевым стандартам, помимо стилей разъемов для дополнительных карт. Организации, определившие конкретные стили разъемов, включают VITA (для шасси), PCI-SIG (карты PCIe), IEEE (например, стандарт 1386 для мезонинов), JTAG, PC/104 (штыревые разъемы с квадратными выводами) и другие.

Существует множество других разъемов, которые не попадают ни в одну из вышеуказанных категорий. Ниже приведен пример некоторых типичных продуктов, попадающих в эти категории.

Изображение выше показывает лишь часть всех различных разъемов плата-к-плате, доступных на рынке. Очевидно, что существует множество вариаций этих разъемов с различным количеством контактов/площадок, стилями ключа/защиты, способами монтажа (SMD против сквозного монтажа) и спецификациями. Когда вы просматриваете веб-сайт поставщика или фильтруете поиск компонентов, существует несколько способов, которыми поставщики могут классифицировать свои изделия.

Электрическое применение

Среди этих различных типов разъемов плата-к-плате они могут быть классифицированы как усиленные, высокоскоростные, высокочастотные, высокотоковые/высокомощные или какие-то другие обозначения. Это в основном маркетинговый язык, поскольку универсального определения высокоскоростного разъема, высокомощного разъема и т. д. не существует. Важным исключением являются разъемы для магистральных плат, которые строго определены в стандартах ANSI/VITA, где конкретные стили сочетаются с различными средами (медь, волокно или коаксиальный кабель). Еще один высокостандартизированный стиль разъема - это разъем мезонина IEEE 1386.

Применение в условиях повышенной нагрузки

Как и в случае с многими другими компонентами, поставщики будут нацеливаться на конкретные отрасли своей продукцией и будут пытаться нацелиться на конкретные приложения в этих отраслях. В результате вы увидите стили разъемов плата-к-плате, которые могут быть сильно усилены с жесткой пластиковой защитой, поскольку они нацелены на такие области, как автомобильная промышленность, аэрокосмическая отрасль, промышленные системы или энергетические продукты. В общем, вы обычно можете найти усиленную версию стандартного разъема, которая имеет тот же распиновку, стиль монтажа и шаг, что и его менее усиленный вариант.

Выбор разъемов плата-к-плате

Теперь мы можем рассмотреть некоторые моменты, которые следует учитывать при выборе разъемов плата-к-плате. Сначала давайте рассмотрим некоторые спецификации, а затем мы можем подумать о преимуществах различных стилей разъемов.

Спецификации разъемов плата-к-плате

Разъемы плата-к-плате имеют некоторые электрические спецификации, которые следует учитывать помимо стиля разъема:

• Шаг и количество контактов: Если вы не разрабатываете устройство под конкретное применение или вам не нужны высокоскоростная/высокочастотная передача или высокий ток, скорее всего, вы начнете с определения необходимого шага/количества контактов в разъеме. При низкой мощности и низкой скорости сигнализации практически любой разъем сможет обеспечить ваши требования к питанию, сохраняя при этом целостность сигнала.

• Мощность: Обычно указывается как ток при определенном напряжении на контакт. Большинство разъемов могут выдерживать несколько ампер при типичных рабочих напряжениях. Убедитесь, что проверили напряжение, поскольку обычно через кабель подаются как питание, так и данные; вы захотите убедиться, что ваше питание не превышает допустимое напряжение.

• Нормативный стандарт: Любые отраслевые стандарты для разъемов могут регулировать форм-фактор (некоторые примеры обсуждались выше) или они могут охватывать испытания и спецификации применения. Убедитесь, что проверили эти стандарты, чтобы гарантировать соответствие стиля вашего разъема.

• Экологические характеристики: Спецификации включают изменения мощности при циклическом изменении влажности, воздействии газов и испытаниях при высокой температуре. Это дает вам хорошее представление о том, где можно использовать разъем, чтобы обеспечить надежность.

• Предел скорости передачи данных/частоты: Для каналов передачи данных высокой скорости вы увидите рекомендуемый предел скорости передачи данных, который определяется производителем на основе обширных испытаний. Пределы скорости передачи данных являются лишь рекомендацией, и вы можете превысить их в своей системе. Обязательно тщательно протестируйте вашу систему, если планируете превысить спецификацию скорости передачи данных/частоты.

• Механические характеристики: В технических описаниях разъемов для соединения плат могут быть указаны данные о механическом ударе, вибрации, силе тяги или других характеристиках, которые помогают конструктору понять прочность. Обратите внимание, что эти данные могут быть перечислены как результаты испытаний, предназначенные для соответствия некоторым отраслевым стандартам.

• Форм-фактор: Некоторые разъемы для соединения плат (например, краевые разъемы) могут быть довольно громоздкими. Другие разъемы специально разработаны так, чтобы иметь низкий профиль, такие как серия низкопрофильных мезонинных разъемов BM20 от Hirose. Обратите внимание на форм-фактор и требования к корпусу в вашей системе.

Различные стили, показанные в предыдущем разделе, могут быть ограничивающим фактором, поскольку вам может потребоваться взаимодействие с существующей системой, и у вас не будет свободы выбора любого разъема. Во многих случаях рассмотрение начинается с некоторого электрического или механического ограничения, за которым следует выбор форм-фактора или стиля разъема, необходимых для соответствия требованиям к профилю/корпусу.

Если у вас есть свобода выбора стиля и форм-фактора разъема, следует учитывать некоторые преимущества каждого типа разъемов.

Преимущества некоторых стилей разъемов для соединения плат

С таким большим количеством стилей разъемов для соединения плат на рынке невозможно предоставить полное сравнение каждого типа разъемов. Однако есть некоторые основные моменты, которые нужно понимать о различных стилях разъемов, показывающие их преимущества или недостатки в разных системах.

Краевые разъемы

Краевые разъемы используют скользящие контакты для создания электрического соединения, которые со временем могут изнашиваться после многократных соединений. Износ может происходить как со стороны карты, так и со стороны гнезда. Если плата будет неоднократно подключаться и отключаться, альтернативные типы могут быть лучшим выбором, поскольку многие из них имеют более долгий срок службы контактов.

Полностью закрытые или коаксиальные разъемы

Некоторые разъемы имеют коаксиальный стиль, который позволяет передавать высокую мощность, обеспечивает экранирование и преимущества для систем РЧ (см. ниже). Полностью закрытые разъемы идеально подходят для приложений с высокой мощностью и имеют гораздо более высокие токовые характеристики без чрезмерного увеличения размера на плате. Это лучший вариант, чем штыревой разъем, который может иметь токовую характеристику всего 1 А и не подходит для передачи данных высокой скорости/РЧ.

Горизонтальные разъемы низкого профиля

Ориентация вашего разъема может позволить размещать платы параллельно, но плата может быть извлечена горизонтально, а не вертикально. Например, разъем Hirose, показанный выше, требует вертикального извлечения, но существуют краевые разъемы и разъемы меццанин, которые позволяют горизонтальное вставление/извлечение при очень низком профиле. Это может быть бесценно в приложениях с низким профилем, где необходим доступ к дополнительной карте.

Блоки штыревых разъемов

Если вас не беспокоит высокий ток, высокая изоляция или высокая точность сигнала, стыкуемые штыревые разъемы являются отличным способом добавить несколько уровней модульности к вашей системе. Блоки штыревых разъемов могут быть выбраны таким образом, чтобы они были стыкуемыми, что позволяет размещать несколько карт на шине или обеспечивать питание нескольких плат параллельно. Если вам нужен доступ к данным на каждом модуле, убедитесь, что распиновка совпадает на всем протяжении стопки штыревых разъемов.

Что насчет высокоскоростных и высокочастотных?

На высоких скоростях/высоких частотах, достигающих уровней Гбит/с/ГГц, целостность сигнала становится важным аспектом при выборе разъемов для соединения плат. Ищите некоторые из следующих метрик в технических описаниях или на страницах поддержки вашего производителя:

• Импеданс: РЧ-разъемы с коаксиальной топологией имеют определенный импеданс, так как они должны соединяться с системой с определенным импедансом. Спецификация импеданса действительна до указанной полосы пропускания, которая может быть на уровне -3 дБ.

• Данные S-параметров: Если вы хотите провести любые симуляции с вашими разъемами, вам понадобятся данные S-параметров. Это особенно важно для технологий вроде PAM4, каналов SerDes или новых стандартов высокоскоростной передачи данных (PCIe, GDDR6 и т.д.), поскольку эти симуляции являются важной частью валидации системы.

• Изоляция от пина к пину: РЧ разъемы для соединения плат могут иметь полностью экранированные контакты, что не всегда бывает у других типов разъемов. Эти разъемы обеспечивают высокую изоляцию и имеют небольшое количество контактов. Они также обычно более громоздкие. Некоторые из этих разъемов для соединения плат могут иметь варианты с кабельными разъемами.

Когда вам нужно выбрать из множества поставщиков и найти определенные типы разъемов для соединения плат, используйте расширенный поиск и функции фильтрации на Octopart. Функции поиска электронных компонентов на Octopart помогут вам выбрать разъемы по отрасли, техническим характеристикам, стандарту сигнализации и многим другим фильтрам, соответствующим вашим потребностям. Вы также можете получить доступ к данным о ценах дистрибьюторов, инвентаризации компонентов, спецификациям деталей и CAD-данным, и все это доступно в удобном интерфейсе. Посмотрите нашу страницу с разъемами, чтобы найти необходимые компоненты.

Оставайтесь в курсе наших последних статей, подписавшись на нашу рассылку.